陳玉瓊，顧天宇，張思，朱雪婷，雷愛華

(南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院 病原生物學(xué)研究所，衡陽 421001 )

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種慢性復(fù)發(fā)性腸道炎癥性疾病，包括克羅恩病(crohn＇s disease, CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)。目前普遍認(rèn)為IBD是環(huán)境、感染、免疫、遺傳等多種因素綜合作用的結(jié)果，但關(guān)于IBD的確切病因和具體發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚。有趣的是，腸道菌群與IBD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，而膳食纖維經(jīng)腸道內(nèi)厭氧菌代謝后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)對多種免疫細(xì)胞具有免疫調(diào)節(jié)作用，并參與了IBD的發(fā)病進(jìn)程[1](圖1)。

注：PMN，多形核白細(xì)胞(polymorphonuclear leukocyte)；M1型MΦ，M1型巨噬細(xì)胞(M1 macrophage)； M2型MΦ，M2型巨噬細(xì)胞(M2 macrophage)；NO,一氧化氮(nitric oxide)CINC-2αβ，中性粒細(xì)胞趨化因子2αβ (cytokine-induced neutrophil chemoattractant 2αβ)； Arg1，精氨酸酶1(arginase 1)；Rorγt, 維甲酸相關(guān)孤兒核受體γt(RAR-related orphan nuclear receptor γt)。圖1 SCFA的免疫調(diào)節(jié)作用

SCFA是一類碳原子數(shù)少于6的脂肪酸，由不同腸道厭氧菌經(jīng)不同途徑產(chǎn)生，主要包括乙酸鹽、丙酸鹽及丁酸鹽(三者在腸腔中比例約為60∶20∶20)[2]。乙酸鹽由腸源性桿菌來源的乙酰輔酶A合成；丙酸鹽經(jīng)擬桿菌-琥珀酸途徑或硬壁菌-乳酸途徑產(chǎn)生；丁酸鹽則由硬壁菌來源的乙酰輔酶A合成[2]。研究發(fā)現(xiàn)，IBD患者糞便中的丁酸和丙酸水平較正常人顯著降低[3]，而給予丁酸酯、乙酸酯和丙酸酯可有效緩解IBD的相關(guān)癥狀[4]。目前認(rèn)為，SCFA結(jié)合G蛋白耦聯(lián)受體(G-protein-coupled receptor，GPCR)后(如GPR41、GPR43、GPR109a)，激活SCFA-GPR通路、抑制組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)活性等途徑調(diào)節(jié)多種固有免疫細(xì)胞和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的分化及功能[5-6]。

1 SCFA調(diào)節(jié)固有免疫細(xì)胞參與IBD的發(fā)生與發(fā)展

中性粒細(xì)胞，也稱PMN，具有較強(qiáng)的吞噬殺傷功能，占外周血白細(xì)胞總數(shù)的60%～70%。過多聚集的PMN常使腸道黏膜屏障遭受破壞，進(jìn)而加重IBD癥狀。研究表明，N-(1-氨基甲?；?2-苯乙基)丁酰胺可減少結(jié)腸黏膜中PMN的浸潤并降低葡聚糖硫酸鈉(dextran sodium sulfate，DSS)誘導(dǎo)腸炎小鼠的疾病活動(dòng)指數(shù)[7]。研究發(fā)現(xiàn)，丙酸和丁酸能抑制PMN HDAC活性，從而使TNF-α、NO、CINC-2αβ等PMN相關(guān)炎性介質(zhì)釋放減少[8]。因此，SCFA可通過抑制PMN的功能而緩解IBD的癥狀。

巨噬細(xì)胞(macrophage，MΦ)可分為M1型MΦ和M2型MΦ。M1型MΦ在LPS誘導(dǎo)下產(chǎn)生并分泌IL-1β、 IL-12、TNF-α、誘導(dǎo)型NO合酶、活性氧等炎性介質(zhì)；M2型MΦ則由IL-4、IL-13等細(xì)胞因子誘導(dǎo)產(chǎn)生并合成大量Arg1，在抗炎和組織修復(fù)方面發(fā)揮重要作用[9]。研究表明，丁酸通過激活 H3K9/STAT6信號(hào)通路，促進(jìn)M2型MΦ的分化并促使其合成Arg1，從而有效緩解DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎[9]。此外，丁酸還可通過抑制MΦ HDAC活性而促進(jìn)其H3組蛋白的乙?；瑥亩档蚇O、IL-6、 IL-12p40等MΦ相關(guān)炎性介質(zhì)的水平，但不包括TNF-α 和單核細(xì)胞趨化蛋白1，這也可能是丁酸緩解IBD的重要方式之一[10]。

DC是免疫系統(tǒng)的哨兵，被激活后向T細(xì)胞提呈抗原并調(diào)節(jié)原始T細(xì)胞的分化。研究發(fā)現(xiàn)，丙酸和丁酸能抑制DC表面CD83、CD80、CD40、CD86等共刺激分子的表達(dá)[11]。此外，丙酸和丁酸能抑制DC釋放IL-6、IL-12和IL-23并通過調(diào)節(jié)其IL-12的分泌水平，影響CTL分化和功能[11]。另外，乙酸和丁酸能增強(qiáng)CD103+DC的活性，從而促進(jìn)Treg的分化，且丁酸鹽可以減弱CCL19對DC的趨化作用[12-13]。因此，SCFA通過對DC的調(diào)節(jié)，在一定程度上增強(qiáng)了免疫系統(tǒng)對抗原物質(zhì)的耐受性，進(jìn)而緩解IBD的癥狀。

髓系抑制性細(xì)胞(myeloid-derived suppressor cell，JP2MDSC)是在腫瘤和炎癥中因髓系細(xì)胞分化受阻而擴(kuò)增聚集的一群具有免疫抑制功能的固有免疫細(xì)胞[14]。大量研究發(fā)現(xiàn)，MDSC具有緩解IBD癥狀的作用[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可顯著促進(jìn)MDSC的聚集，抑制T細(xì)胞的功能，進(jìn)而有效緩解小鼠結(jié)腸炎的癥狀[17]。丁酸是否通過促進(jìn)MDSC的擴(kuò)增而影響Th17/Treg的平衡有待進(jìn)一步研究。

ILC3由骨髓中的共同淋巴細(xì)胞祖細(xì)胞發(fā)育而來，主要通過分泌IL-17和IL-22調(diào)節(jié)腸道局部免疫應(yīng)答，并與IBD的發(fā)生密切相關(guān)[18-19]。一方面，ILC3參與腸道抗真菌感染和維持腸道穩(wěn)態(tài)；另一方面，活化的ILC3通過釋放大量的IL-17和1L-22可造成腸道損傷[19]。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸能激活GPR109a介導(dǎo)的信號(hào)通路抑制ILC3維甲酸相關(guān)孤兒核受體c (RAR-related orphan nuclear receptor c，Rorc)的表達(dá)而影響ILC3的分化和可塑性[20]。因此，丁酸可能通過調(diào)節(jié)ILC3的分化和功能影響IBD的發(fā)生和發(fā)展，但目前尚缺乏直接的證據(jù)。

2 SCFA調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫細(xì)胞參與IBD的發(fā)生與發(fā)展

2.1 SCFA調(diào)節(jié)Th17/Treg參與IBD的發(fā)病Th17起源于CD4+CD161+祖T細(xì)胞[21]。Th17表達(dá)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Rorγt并通過分泌IL-17A發(fā)揮抗菌和促炎作用[22]。研究發(fā)現(xiàn)，IBD患者胃腸黏膜中有大量的Th17浸潤且IL-23/Th17/IL-17信號(hào)軸在相關(guān)免疫病理損傷中起關(guān)鍵作用[22]。與Th17不同，CD4+CD25+Foxp3+Treg具有免疫抑制作用，通過直接接觸或分泌細(xì)胞因子TGF-β、IL-10抑制機(jī)體的免疫應(yīng)答[22]。Th17的過度激活及Treg功能的抑制與IBD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[23]。

SCFA對Th17/Treg平衡具有重要的調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸能抑制Rorγt、維甲酸相關(guān)孤兒核受體α(RAR-related orphan nuclear receptor ɑ，Rorɑ)、矮小相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1、堿性亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子等Th17相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，進(jìn)而影響Th17的發(fā)育，但其調(diào)控機(jī)制尚未完全闡明[24]。戊酸能通過抑制HDAC的活性而抑制Th17的功能：RNA-seq分析發(fā)現(xiàn)，戊酸處理的Th17中Rorc、IL-21、STAT3、TGF-β3等基因的表達(dá)水平下調(diào)，而IL-10 基因的表達(dá)水平出現(xiàn)上調(diào)，最終緩解EAE[25]。臨床研究發(fā)現(xiàn)，丙酸鈉能顯著降低終末期腎病患者體內(nèi)的IL-17A水平而升高IL-10水平，從而改善炎癥相關(guān)癥狀[26]。

研究還發(fā)現(xiàn)，丁酸能通過增強(qiáng)Treg組蛋白Foxp3位點(diǎn)的乙?；瘉泶龠M(jìn)Treg的產(chǎn)生[27]。另外，丁酸還可上調(diào)Treg表面的T細(xì)胞共刺激分子和CTLA-4水平[24]。盡管戊酸不能促進(jìn)Treg的擴(kuò)增，卻可增強(qiáng)Treg分泌IL-10的水平[25]。除了對Th17和Treg的直接調(diào)節(jié)作用，SCFA還可通過影響血漿IL-6、TGF-β水平間接影響Th17/Treg的平衡。TGF-β能誘導(dǎo)原始T細(xì)胞表達(dá)Foxp3促進(jìn)Treg的分化；而在TGF-β和IL-6的存在下，Treg發(fā)育受到抑制而IL-23R和Rorγt被誘導(dǎo)表達(dá)，從而促進(jìn)了Th17表型。有研究發(fā)現(xiàn)，與對照小鼠相比，IBD小鼠血漿IL-6水平明顯較高，而TGF-β水平無明顯差異。丁酸鹽處理IBD小鼠后，其血漿IL-6水平明顯下降而TGF-β水平顯著升高[28]，同時(shí)，丁酸鹽處理的IBD小鼠血漿IL-17和IL-23水平也相應(yīng)降低[28]。因此，SCFA可能通過直接或間接抑制Th17產(chǎn)生和促進(jìn)Treg分化而緩解IBD的癥狀。

2.2 SCFA調(diào)節(jié)Th1/Th2參與IBD的發(fā)病Th1主要分泌促炎細(xì)胞因子(如IFN-γ、TNF等)，而Th2分泌抗炎細(xì)胞因子(如IL-4、IL-5、IL-10、IL-13等)，Th1/Th2的失衡在IBD的發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用[29]。

IL-4對于原始T細(xì)胞向Th2的分化至關(guān)重要。有趣的是，SCFA，尤其是丁酸，可通過促進(jìn)組蛋白的乙酰化而增強(qiáng)IL-4的轉(zhuǎn)錄[30-31]。此外，與對照組相比，將丁酸處理的Th1經(jīng)靜脈注射轉(zhuǎn)移至Rag-/-小鼠體內(nèi)，其誘導(dǎo)的IBD癥狀明顯緩解[24]。進(jìn)一步用流式細(xì)胞術(shù)檢測發(fā)現(xiàn)，IFN-γ+T細(xì)胞比例減少而IL-10+T細(xì)胞比例增多[24]。最近研究表明，SCFA(主要為丁酸)還能通過作用于Th1的GPR43激活其Stat3和哺乳動(dòng)物雷帕毒素靶向蛋白(mammalian/mechanistic target of rapamycin，mTOR)而上調(diào)B細(xì)胞誘導(dǎo)的成熟蛋白1的水平，從而介導(dǎo)IL-10的產(chǎn)生[32]。因此，SCFA可通過調(diào)節(jié)Th1/Th2平衡，抑制IBD的發(fā)生與發(fā)展。

2.3 SCFA調(diào)節(jié)B細(xì)胞參與IBD的發(fā)病B細(xì)胞是小腸和結(jié)腸固有層的主要免疫細(xì)胞。其中調(diào)節(jié)性B細(xì)胞(regulatory B cell， Breg)能通過分泌IL-10發(fā)揮抗炎作用。CD患者外周血中CD19highCD1dhighBreg比例較低[33]。最近研究發(fā)現(xiàn)，IL-33能誘導(dǎo)小鼠體內(nèi)的Breg的擴(kuò)增，而向IL-10-/-小鼠轉(zhuǎn)移BregIL-33能有效緩解IBD的癥狀[34]。

AMP激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase， AMPK)是一種重要的能量感受器。有研究發(fā)現(xiàn)，戊酸可抑制Breg的AMPK活性，使胞內(nèi)mTOR信號(hào)通路激活，從而使Breg糖酵解加強(qiáng)并釋放出更多的IL-10[25]。另外，SCFA還能通過抑制B細(xì)胞中HDAC活性而上調(diào)胞苷脫氨酶、X-盒結(jié)合蛋白1、IFN調(diào)節(jié)因子4、含PR域蛋白1、共結(jié)合蛋白1等調(diào)節(jié)IgA合成相關(guān)蛋白的基因的表達(dá)水平，進(jìn)而使效應(yīng)B細(xì)胞產(chǎn)生更多的IgA，介導(dǎo)黏膜免疫[35]。有研究表明，高水平的IgA可防止結(jié)腸炎的發(fā)生[36]。因此，SCFA調(diào)節(jié)B細(xì)胞產(chǎn)生IgA可能是其緩解IBD癥狀的另一重要途經(jīng)。

3 結(jié)語

SCFA是重要的免疫調(diào)節(jié)分子，對多種固有免疫細(xì)胞和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的分化與功能具有調(diào)控作用。其中，SCFA可抑制PMN、MΦ、DC和效應(yīng)T細(xì)胞的募集和促炎功能，而對抗炎的細(xì)胞如Treg、MDSC及Breg的水平和功能具有促進(jìn)作用。因此，SCFA在治療包括IBD在內(nèi)的炎癥性疾病中具有潛在臨床應(yīng)用價(jià)值。其中，丁酸酯在治療結(jié)腸疾病方面顯示出了良好的效果。然而，單獨(dú)使用SCFA預(yù)防和治療IBD的案例在目前的臨床研究數(shù)據(jù)中尚欠缺。同時(shí)，SCFA調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞(如ILC3、MDSC等)的作用機(jī)制有待進(jìn)一步深入研究。此外，SCFA 在某些情況下，如腎盂腎炎、腎盂積水，表現(xiàn)為促炎作用[37]。在某種特定的情況下，SCFA是否會(huì)加重IBD的癥狀需要更多的基礎(chǔ)和臨床研究。因此，進(jìn)一步充分認(rèn)識(shí)SCFA對腸道局部免疫細(xì)胞的調(diào)控作用及其分子機(jī)制將為開發(fā)新型IBD治療藥物提供新契機(jī)。